KR101984034B1 - 중공사막 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중공사막 모듈에 관한 것으로서, 상기 중공사막 모듈은 제1 유체 유입구와 제1 유체 유출구 및 제2 유체 유입구와 제2 유체 유출구를 포함하는 하우징부, 그리고 다수의 중공사막을 포함하며, 상기 제1 유체가 상기 중공사막 내부로 흐르고 상기 제2 유체가 상기 중공사막 외부로 흐르도록 상기 하우징 내부에 배치된 중공사막 다발을 포함하며, 상기 중공사막 다발은, 양쪽 끝이 막혀 있고 측면에 다수의 기공을 포함하는 다공성 튜브를 더 포함한다.
상기 중공사막 모듈은 중공사막 다발 외부로 흐르는 유체가 침투하기 어려운 영역을 제거하여 상기 유체가 균일하게 흐를 수 있도록 한다. 이에 따라, 상기 중공사막이 고집적된 경우에도 상기 중공사막 모듈의 성능을 극대화할 수 있다.
상기 중공사막 모듈은 중공사막 다발 외부로 흐르는 유체가 침투하기 어려운 영역을 제거하여 상기 유체가 균일하게 흐를 수 있도록 한다. 이에 따라, 상기 중공사막이 고집적된 경우에도 상기 중공사막 모듈의 성능을 극대화할 수 있다.
Description
본 발명은 중공사막 모듈에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 중공사막 다발 외부로 흐르는 유체가 침투하기 어려운 영역을 제거하여 상기 유체가 균일하게 흐를 수 있도록 한다. 이에 따라, 상기 중공사막이 고집적된 경우에도 상기 중공사막 모듈의 성능을 극대화할 수 있는 중공사막 모듈에 관한 것이다.
상기 중공사막 모듈은 수분 교환 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈 등일 수 있다.
연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 상기 연료 전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배가량 높다는 장점이 있다. 또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 상기 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 상기 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Eletrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 상기 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다. 상기 고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다. 이들 중에서도 상기 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 상기 고분자 전해질 막을 가습하는 가습 막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
상기 가습 막 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 상기 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료 전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
그러나, 상기 중공사막을 이용한 가습기의 경우 그 용량을 높이기 위하여 중공사막을 다수 집적하게 되는데, 이때 상기 중공사막의 외부로 흐르는 기체 흐름이 고집적된 중공사막에 의한 저항으로 가습기 내부 전체에 균일하게 형성되지 못하게 된다.
상기 문제를 극복하기 위하여 상기 중공사막 번들의 두께를 제한하거나, 상기 중공사막 번들을 분할하였으나, 이 경우 한정된 공간에 중공사막을 장착할 수 있는 한계를 낮추는 또 다른 문제를 초래하게 된다.
본 발명의 목적은 중공사막 다발 외부로 흐르는 유체가 침투하기 어려운 영역을 제거하여 상기 유체가 균일하게 흐를 수 있도록 하여 상기 중공사막이 고집적된 경우에도 상기 중공사막 모듈의 성능을 극대화할 수 있는 중공사막 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 모듈은 제1 유체 유입구와 제1 유체 유출구 및 제2 유체 유입구와 제2 유체 유출구를 포함하는 하우징부, 그리고 다수의 중공사막을 포함하며, 상기 제1 유체가 상기 중공사막 내부로 흐르고 상기 제2 유체가 상기 중공사막 외부로 흐르도록 상기 하우징 내부에 배치된 중공사막 다발을 포함하며, 상기 중공사막 다발은, 양쪽 끝이 막혀 있고 측면에 다수의 기공을 포함하는 다공성 튜브를 더 포함한다.
상기 다공성 튜브는 상기 다공성 튜브의 길이 방향이 상기 중공사막 다발의 길이 방향을 따르도록 배치될 수 있다.
상기 다공성 튜브는 측면이 메쉬(mesh) 형상일 수 있다.
상기 다공성 튜브의 직경은 상기 중공사막 직경에 대하여 2 내지 20 배일 수 있다.
상기 다공성 튜브의 상기 기공의 직경은 1 내지 10mm일 수 있다.
상기 다공성 튜브의 상기 다수의 기공의 전체 면적은 상기 다공성 튜브의 측면 전체 면적에 대하여 10 내지 50 면적%일 수 있다.
상기 다공성 튜브는 다수개로 포함될 수 있고, 이때 상기 중공사막 200 내지 2000 개당 1개 포함될 수 있다.
상기 중공사막 모듈은 복수의 중공사막 다발들 및 상기 복수의 중공사막 다발들을 구획하는 격벽을 포함할 수 있다.
상기 격벽은 복수개로 포함되며, 상기 복수개의 격벽은 상기 복수의 중공사막 다발들 각각을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 격벽에는 유체 유통구가 형성될 수 있다.
상기 하우징부는 횡단면 형상이 원형 또는 각형일 수 있다.
상기 하우징부는 양단이 개방되고, 외표면에 제1 유체 유입구와 제1 유체 유출구를 포함하는 하우징 몸체, 및 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 제2 유체 유입구와 제2 유체 유출구를 포함하는 하우징 캡들을 포함할 수 있다.
상기 중공사막 모듈은 상기 중공사막의 양단부를 상기 하우징부에 고정시키며, 상기 하우징부의 양단부와 기밀 가능하게 접하는 포팅부를 더 포함할 수 있다.
상기 중공사막 모듈은 수분 교환 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 및 수처리 모듈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 중공사막 모듈은 중공사막 다발 외부로 흐르는 유체가 침투하기 어려운 영역을 제거하여 상기 유체가 균일하게 흐를 수 있도록 한다. 이에 따라, 상기 중공사막이 고집적된 경우에도 상기 중공사막 모듈의 성능을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이다.
도 4는 도 2의 중공사막 모듈을 A-A'선을 기준으로 절단한 일부 단면도이다.
도 5 내지 7은 서로 다른 일 실시예에 따른 다공성 튜브를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이다.
도 4는 도 2의 중공사막 모듈을 A-A'선을 기준으로 절단한 일부 단면도이다.
도 5 내지 7은 서로 다른 일 실시예에 따른 다공성 튜브를 개략적으로 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이다. 도 4는 도 2의 중공사막 모듈을 A-A'선을 기준으로 절단한 일부 단면도이다. 상기 도 1 내지 도 4에 도시된 중공사막 모듈은 수분 교환 모듈을 일 실시예로서 도시한 것이다. 그러나, 상기 중공사막 모듈은 상기 수분 교환 모듈에 한정되지 않으며, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈 등일 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 상기 중공사막 모듈에 대하여 설명한다. 상기 도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 중공사막 모듈(10)은 하우징부(1), 중공사막 다발(4) 및 포팅부(2)를 포함한다.
상기 하우징부(1)는 상기 중공사막 모듈(10)의 외형을 이룬다. 상기 하우징부(1)는 하우징 몸체(11)와 하우징 캡(5)들을 포함할 수 있고, 이들이 결합된 일체형일 수도 있다. 상기 하우징 몸체(11)와 상기 하우징 캡(5)들은 폴리카보네이트 등의 경질 플라스틱이나 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 하우징 몸체(11)와 상기 하우징 캡(5)들은 폭 방향 단면 형상이 도 1 및 2에서 도시된 바와 같이 각형이거나, 또는 도 3에서 도시된 바와 같이 원형일 수 있다. 상기 각형은 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형, 육각형 등일 수 있으며, 상기 각형은 모서리가 라운드진 형태일 수도 있다. 또한, 상기 원형은 타원형일 수도 있다.
상기 하우징 몸체(11)의 양단에는 상기 하우징 몸체(11)의 둘레를 확장시켜 주는 둘레부(12)들을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 둘레부(12)의 개방된 양단은 포팅부(2)에 매립되고, 상기 포팅부(2)는 상기 둘레부(12)에 의하여 감싸진다. 상기 둘레부(12)들에는 각각 제2 유체가 공급되는 제2 유체 유입구(121)와 제2 유체가 배출되는 제2 유체 유출구(122)가 형성되어 있다.
상기 하우징부(1)의 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 복수의 중공사막(41)로 이루어진 중공사막 다발(4)이 내장된다. 여기서 상기 중공사막(41)의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기 포팅부(2)는 상기 중공사막 다발(4)의 양단부에서 상기 중공사막(41)들을 결속하면서 상기 중공사막(41)들의 사이의 공극을 메운다. 상기 포팅부(2)는 상기 하우징 몸체(11)의 양단부의 내측면에 접하여 상기 하우징 몸체(11)를 기밀시킬 수 있다. 상기 포팅부(2)의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기 포팅부(2)는 상기 하우징 몸체(11)의 양단 내부 각각에 형성됨으로써 상기 중공사막 다발(4)은 그 양단부가 상기 하우징 몸체(11)에 고정된다. 이로써 상기 하우징 몸체(11)는 양단이 상기 포팅부(2)에 막히어 그 내부에는 상기 제2 유체가 통과하는 유로가 형성된다.
한편, 상기 하우징 캡(5)은 상기 하우징 몸체(11)의 각 양단에 결합된다. 상기 각 하우징 캡(5)에는 제1 유체 유입구(51) 및 제1 유체 유출구(51)가 형성되어 있다. 상기 일측 하우징 캡(5)의 유체 유입구(51)로 유입된 제1 유체는 중공사막(41)의 내부 관로를 통과하고, 타측 하우징 캡(5)의 유체 유출구(52)로 빠져나가게 된다.
상기 도 4를 참조하면, 상기 포팅부(2)는 상기 둘레부(12)의 끝단(12a)의 대략 중간 부분에서 상기 하우징 몸체(11)의 중심을 향하여 오름 경사지게 형성될 수 있고, 상기 중공사막(41)들은 상기 포팅부(2)를 관통하여 상기 포팅부(2)의 끝단에서 관로가 노출된다. 상기 포팅부(2)에 의하여 가려지지 아니한 상기 둘레부(12)의 끝단(12a)에는 실링부재(S)가 대어지고, 상기 하우징 캡(5)이 이를 가압하며 상기 하우징 몸체(11)에 결합될 수 있다.
상기 중공사막 모듈(10)은 복수의 중공사막 다발(4)들 및 상기 복수의 중공사막 다발들을 구획하는 격벽(9)을 포함할 수 있다. 상기 격벽(9)에는 유체 유통구(8)가 형성되어 상기 제2 유체가 상기 유체 유통구(8)를 통하여 상기 격벽(9)을 통과하여 상기 중공사막 다발(4)들의 외부로 흐를 수 있도록 한다.
또한, 상기 격벽(9)은 복수개일 수 있고, 상기 복수개의 격벽(9)들은 상기 복수의 중공사막 다발(4)들 각각을 둘러싸도록 배치되어 상기 중공사막 다발(4)들을 구획할 수 있다.
상기 제1 유체는 상기 일측의 하우징 캡(5)의 제1 유체 유입구(51)를 통하여 상기 하우징부(1) 내로 공급되어 상기 중공사막(41)들의 내부로 흘러, 상기 타측의 하우징 캡(5)의 제1 유체 유출구(52)를 통하여 상기 중공사막 모듈(10) 외부로 배출된다. 다만, 상기 제1 유체는 상기 제1 유체 유출구(52)로 유입되어 상기 제1 유체 유입구(51)로 배출되는 방향으로 흐르는 것도 가능하다. 한편, 상기 제2 유체는 상기 하우징 몸체(11)의 제2 유체 유입구(121)를 통하여 상기 하우징 몸체(11)의 일측 둘레부(12)로 공급된 후, 상기 격벽(9)의 일측 유체 유통구(8)를 통하여 상기 격벽(9)을 통과하여 상기 중공사막(41)들의 외부로 흘러 상기 격벽(9)의 타측 유체 유통구(8)를 통하여 상기 하우징 몸체(11)의 타측 둘레부(12)로 배출된 후, 상기 하우징 몸체(11)의 제2 유체 유출구(122)를 통하여 상기 하우징부(1) 외부로 배출된다. 다만, 상기 제2 유체는 상기 제2 유체 유출구(122)로 유입되어 상기 제2 유체 유입구(121)로 배출되는 방향으로 흐르는 것도 가능하다. 즉, 상기 제1 유체와 제2 유체는 서로 반대 방향으로 흐를 수도 있고, 같은 방향으로 흐를 수도 있다. 상기 제1 유체와 상기 제2 유체는 각각 중공사막(41)의 내부와 외부로 흐르면서 상기 중공사막(41)을 통하여 수분 등의 물질 또는 열 등을 교환하게 된다.
상기 제1 유체는 저습의 유체이며 상기 제2 유체는 고습의 유체일 수 있고, 상기 제2 유체가 저습의 유체이고, 상기 제1 유체가 고습의 유체일 수도 있다.
한편, 상기 중공사막 다발(4)은 상기 중공사막(41)들 사이에 양쪽 끝이 막혀 있고 측면에 다수의 기공을 포함하는 다공성 튜브(42)를 더 포함한다. 상기 다공성 튜브(42)는 상기 다공성 튜브(42)의 길이 방향이 상기 중공사막(41)들의 길이 방향을 따르도록 배치된다.
상기 중공사막 다발(4)은 하나의 다공성 튜브(42)만을 포함할 수도 있고, 복수개의 다공성 튜브(42)를 포함할 수도 있다. 또한, 상기 중공사막 모듈(10)이 다수개의 중공사막 다발(4)들을 포함하는 경우에도, 각각의 중공사막 다발(4)들은 하나의 다공성 튜브(42)만을 포함할 수도 있고, 복수개의 다공성 튜브(42)를 포함할 수도 있다. 이때, 상기 다공성 튜브(42)는 상기 중공사막(41)들 사이에서 서로 랜덤한 위치에 배치될 수도 있고, 서로 일정한 간격을 가지도록 배치될 수도 있다.
상기 다공성 튜브(42)는 측면에 다수의 기공을 포함함에 따라 상기 제2 유체가 상기 다공성 튜브(42) 내부로 흘러 상기 제2 유체의 흐름을 균일하게 유도하여 상기 중공사막 모듈(10)의 작동 효율을 극대화할 수 있다. 즉, 상기 다공성 튜브(42)는 상기 제2 유체가 침투하기 어려운 영역을 제거하여 상기 중공사막(41)이 고집적된 경우에도 상기 중공사막 모듈(10)의 성능을 극대화할 수 있다.
도 5 내지 7은 서로 다른 일 실시예에 따른 상기 다공성 튜브(42)를 개략적으로 도시한 사시도이다. 이하, 도 5 내지 7을 참고하여, 상기 다공성 튜브(42)의 형상에 대하여 상세하게 설명한다.
상기 도 5 내지 7을 참조하면, 상기 다공성 튜브(42)는 그 양쪽 끝(422)이 막혀 있다. 이는 상기 하우징 캡(5)의 제1 유체 유입구(51)를 통하여 상기 하우징부(1) 내로 공급된 상기 제1 유체가 상기 다공성 튜브(42)의 내부로 흐르지 못하도록 하기 위함이다. 상기 다공성 튜브(42)의 양쪽 끝(422)은 자체적으로 막혀 있을 수 있고, 또는 상기 중공사막 모듈(10)의 제조 과정에서 상기 포팅부(2)에 의하여 막힐 수도 있다.
상기 다공성 튜브(42)의 내부는 비어 있고, 그 측면은 다수의 기공(423)을 포함하여 상기 제2 유체가 상기 기공(423)을 통하여 상기 다공성 튜브(42) 내부로 유입되어 상기 다공성 튜브(42) 내부로 흐를 수 있도록 한다. 이로써, 상기 다공성 튜브(42)는 상기 제2 유체의 흐름을 균일하게 유도하고, 상기 중공사막(41)이 고집적된 경우라도 상기 제2 유체가 침투하기 어려운 영역을 제거하는 역할을 할 수 있다.
상기 다공성 튜브(42)는 폭 방향 단면 형상이 도 5와 같이 원형이거나, 도 6과 같이 각형일 수 있다. 상기 원형은 타원형일 수도 있으며, 상기 각형은 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형, 육각형 등일 수 있으며, 상기 각형은 모서리가 라운드진 형태일 수도 있다.
상기 다공성 튜브(42)의 기공(423)은 타공 등의 종래 일반적으로 사용하는 방법을 통하여 형성되거나, 도 7과 같이 상기 다공성 튜브(42) 자체를 메쉬(mesh) 등의 다공성 재질로 형성할 수 있다.
상기 다공성 튜브(42)의 기공(423)의 직경은 1 내지 10mm이고, 바람직하게 2 내지 8mm이고, 더욱 바람직하게 3 내지 5mm일 수 있다. 상기 기공(423)의 직경이 1mm 미만인 경우 상기 다공성 튜브(42)의 기공으로의 유체 유통량이 작을 수 있고, 10mm를 초과하는 경우 유체 유통량이 너무 커져서 유입 유체의 집중화 문제가 있을 수 있다.
상기 다공성 튜브(42)에서 상기 다수의 기공(423)의 전체 면적은 상기 다공성 튜브(42)의 측면 전체 면적에 대하여 10 내지 50 면적%이고, 바람직하게 20 내지 40 면적%이고, 더욱 바람직하게 25 내지 35 면적%일 수 있다. 상기 면적%는 상기 다수의 기공(423)의 전체 면적을 상기 다공성 튜브(42)의 측면 면적으로 나눈 후, 100을 곱한 값이다.
상기 다공성 튜브(42)에서 상기 다수의 기공(423)의 전체 면적이 상기 다공성 튜브(42)의 측면 전체 면적에 대하여 10 면적% 미만인 경우 상기 다공성 튜브(42)의 기공으로의 유체 유통량이 작을 수 있고, 50 면적%를 초과하는 경우 상기 다공성 튜브(42)의 제조가 어려울 수 있다.
상기 다공성 튜브(42)의 직경은 상기 중공사막(41) 직경에 대하여 2 내지 20 배이고, 바람직하게 3 내지 15 배일 수 있고, 더욱 바람직하게 5 내지 10 배일 수 있다. 구체적으로 예시 하면, 상기 다공성 튜브(42)의 직경은 10 내지 50mm일 수 있다. 상기 다공성 튜브(42)의 직경이 상기 중공사막(41) 직경에 대하여 2 배 미만인 경우 상기 다공성 튜브(42)를 포함하는 효과를 달성하기 위하여 너무 많은 상기 다공성 튜브(42)를 장착해야 하고, 20 배를 초과하는 경우 상기 다공성 튜브(42)로 인하여 상기 중공사막(41)의 장착 공간이 협소해질 있을 수 있다.
상기 다공성 튜브(42)는 상기 중공사막(41) 200 내지 2000개당 1개로 포함될 수 있고, 바람직하게 500 내지 1500개당 1개, 더욱 바람직하게 800내지 1300 개당 1개로 포함될 수 있다. 상기 다공성 튜브(42)의 갯수가 상기 중공사막(41) 200 개당 1개 미만인 경우 상기 중공사막(41)의 장착 수량이 너무 적어질 수 있고, 2000 개당 1개를 초과하는 경우 상기 다공성 튜브(42)를 포함하는 효과를 달성할 수 없을 수 있다.
[
실시예
: 수분 교환 모듈의 제조]
(
실시예
1)
폴리설폰 중공사막(외경 900㎛, 내경 800㎛) 14,000개와 기공이 타공된 다공성 튜브(직경 10mm, 기공 직경 3mm, 측면 전체 면적에 대한 기공 전체 면적의 비율 30 면적%) 10개를 하나의 다발로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다.
상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단의 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡를 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.
(
실시예
2)
폴리설폰 중공사막(외경 900㎛, 내경 800㎛) 14,000개와 기공이 타공된 다공성 튜브(직경 10mm, 기공 직경 3 mm, 측면 전체 면적에 대한 기공 전체 면적의 비율 40 면적%) 10개를 하나의 다발로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다.
상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단의 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡를 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.
(
실시예
3)
폴리설폰 중공사막(외경 900㎛, 내경 800㎛) 14,000개와 메쉬 형상의 다공성 튜브(직경 15mm, 기공 직경 2 mm, 측면 전체 면적에 대한 기공 전체 면적의 비율 30 면적%) 10개를 하나의 다발로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다.
상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단의 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡를 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.
(
비교예
)
폴리설폰 중공사막(외경 900㎛, 내경 800㎛) 14,000개를 하나의 다발로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다.
상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단의 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡를 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.
[
실험예
: 제조된
포팅부의
성능 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 수분 교환 모듈의 중공사막 내부와 외부에 각각 50g/sec의 건조공기를 유입하고 중공사막 외부는 온도 70℃, 습도 90% 로 고정하고, 중공사막 내부는 온도 40℃, 습도 10%로 고정하여 기체-기체 가습을 실시하였다.
가습 성능은 상기 중공사막 내부를 흐르는 공기가 가습되어 나오는 지점의 온도와 습도를 측정하여 노점(Dew Point)으로 환산하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 비교예 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 |
| 가습성능(℃) | 48 | 56 | 58 | 53 |
상기 표 1을 참조하면, 상기 실시예에서 제조된 수분 교환 모듈은 비교예에서 제조된 수분 교환 모듈에 비하여 가습 성능이 더 우수함을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 중공사막 모듈
1: 하우징부
11: 하우징 몸체
12: 둘레부
121: 제2 유체 유입구
122: 제2 유체 유출구
12a: 둘레부의 끝단
2: 포팅부
4: 중공사막 다발
41: 중공사막
42: 다공성 튜브
422: 다공성 튜브의 양 끝단
423: 기공
5: 하우징 캡
51: 제1 유체 유입구
52: 제1 유체 유출구
8: 유체 유통구
9: 격벽
1: 하우징부
11: 하우징 몸체
12: 둘레부
121: 제2 유체 유입구
122: 제2 유체 유출구
12a: 둘레부의 끝단
2: 포팅부
4: 중공사막 다발
41: 중공사막
42: 다공성 튜브
422: 다공성 튜브의 양 끝단
423: 기공
5: 하우징 캡
51: 제1 유체 유입구
52: 제1 유체 유출구
8: 유체 유통구
9: 격벽
Claims (14)
- 제1 유체 유입구와 제1 유체 유출구 및 제2 유체 유입구와 제2 유체 유출구를 포함하는 하우징부,
다수의 중공사막을 포함하며, 상기 제1 유체가 상기 중공사막 내부로 흐르고 상기 제2 유체가 상기 중공사막 외부로 흐르도록 상기 하우징부 내부에 배치된 중공사막 다발을 포함하며,
상기 중공사막 다발은, 양쪽 끝이 막혀 있고 측면에 형성되어 상기 제2 유체가 통과하여 유입 또는 유출하는 다수의 기공을 포함하는 다공성 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 튜브는 상기 다공성 튜브의 길이 방향이 상기 중공사막 다발의 길이 방향을 따르도록 배치되는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 튜브는 측면이 메쉬(mesh) 형상인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 튜브의 직경은 상기 중공사막 직경에 대하여 2 내지 20 배인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 튜브의 상기 기공의 직경은 1 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 튜브의 상기 다수의 기공의 전체 면적은 상기 다공성 튜브의 측면 전체 면적에 대하여 10 내지 50 면적%인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 튜브는 다수개로 포함되며,
상기 다공성 튜브는 상기 중공사막 200 내지 2000 개당 1개 포함되는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 중공사막 모듈은 복수의 중공사막 다발들 및 상기 복수의 중공사막 다발들을 구획하는 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제8항에 있어서,
상기 격벽은 복수개로 포함되며,
상기 복수개의 격벽은 상기 복수의 중공사막 다발들 각각을 둘러싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 격벽에는 유체 유통구가 형성된 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 하우징부는 횡단면 형상이 원형 또는 각형인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 하우징부는
양단이 개방되고, 외표면에 제1 유체 유입구와 제1 유체 유출구를 포함하는 하우징 몸체, 및
상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 제2 유체 유입구와 제2 유체 유출구를 포함하는 하우징 캡들을 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 중공사막 모듈은 상기 중공사막의 양단부를 상기 하우징부에 고정시키며, 상기 하우징부의 양단부와 기밀 가능하게 접하는 포팅부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 중공사막 모듈은 수분 교환 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 및 수처리 모듈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
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